DI TRUYỀN PHÂN TỬ VÀ KỸ THUẬT DI TRUYỀN ỨNG DỤNG TRONG NHÂN GIỐNG ĐỘNG VẬT

81

Chương 3

DI TRUYỀN PHÂN TỬ
VÀ KỸ THUẬT DI TRUYỀN ỨNG DỤNG
TRONG NHÂN GIỐNG ĐỘNG VẬT
Đến những năm 1940, di truyền học cổ điển được gọi là “di truyền
học hình thức” vì chỉ căn cứ vào kết quả lai hay quan sát tế bào học mà
suy đốn về gen. Gen có bản chất như thế nào? Nó thực hiện chức năng
sinh hóa ra sao? Đó là những vấn đề con bỏ ngõ.
Năm 1941, G. Beadle và E. Tatum nghiên cứu các đột biến sinh
hóa ở nấm mốc Neurospora crassa và nêu lên giả thuyết 1 gen - 1 men tính trạng, cho thấy, gen xác định tính trạng thơng qua việc điều khiển
tổng hợp các enzym, chất xúc tác các phản ứng sinh hóa. Tiếp theo, các
đối tượng vi sinh vật bắt đầu được sử dụng rộng rãi đã tạo một buớc phát
triển mới trong nghiên cứu di truyền..
Vào những năm 40, J. Lederberg, với các cơng trình của mình dã
góp phần đưa một vi khuẩn trở thành đối tượng được sử dụng nhiều nhất
trong sinh học phân tử, đó là vi khuẩn E. coli.
Nhiều nhà vật lý, hóa học chuyển sang nghiên cứu di truyền học đã
ứng dụng các phương pháp mới trong nghiên cứu sinh học.
Việc xác định DNA chính là vật chất di truyền đã mở màn cho các
nghiên cứu phân tử về cấu tạo và chức năng của gen. Năm 1944, Oswald
Avery, Colin Mc Leod và Maclyn McCarty nghiên cứu Streptococcus
pneumonie, một vi khuẩn gây viêm phổi, dựa vào các quan sát trước của
Fred Griffiths đã phát hiện ra hiện tượng biến nạp và đã chứng minh DNA
là nhân tố gây biến nạp, làm thay đổi kiểu di truyền ở phế cầu khuẩn D.
pneumonie. Alfred Hershey và Martha Chase (1952) củng cố thêm kết
luận trên bằng các thực nghiệm trên thực khuẩn thể (bacteriophage), đó là
các virus có khả năng xâm nhiễm vi khuẩn E. coli.
Sự phát hiện cấu trúc chuỗi xoắn kép DNA của James D. Watson

và Francis H.C. Crick (1953) chính thức khởi đầu cho thời kỳ nghiên cứu
di truyền phân tử. Cấu trúc đơn giản và trình tự bổ sung của phân tử DNA


82
là cơ sở cho cơ chế tự sao chép của phân tử DNA ở mỗi thế hệ tế bào cũng
như cơ chế tổng hợp RNA từ khuôn DNA.
Học thuyết trung tâm của sinh học phân tử ra đời.
DNA
Sao chép

mRNA

protein

phiên mã

dịch mã.

Vào cuối những năm 70, sự xuất hiện một loạt kỹ thuật mới đã tạo
ra cuộc cách mạng trong sinh học phân tử. Với các enzym cắt hạn chế,
người ta có thể cắt phân tử DNA ở những vị trí xác định thành những đoạn
có kích thước mong muốn, gắn chúng vào các vector, rồi chuyển vào tế
bào vi khuẩn. Việc nuôi cấy các tế bào vi khuẩn này cho phép thu hồi lại
một lượng lớn DNA cần. Đó là phương pháp tạo dịng. Sau đó, người ta đã
hồn thiện các phương pháp xác định nhanh trình tự DNA. Như vậy các
nhà sinh học bây giờ không chỉ ngồi đếm nhiễm sắc thể hay thiết lập bản
đồ gen dựa vào đột biến và lai, họ nắm đến từng nucleotit của đoạn DNA.
Hơn thế nữa, họ cịn có thể tùy ý tạo các đột biến trên đoạn DNA rồi
chuyển chúng trở vào tế bào để nghiên cứu chức năng của một gen trên

một loại tế bào xác định, xác định trình tự toàn bộ gen người, giải quyết
vấn đề bệnh ung thư, sự phát triển phơi, biệt hóa mơ...

1. DNA và vai trị của nó trong di truyền.
Vào năm 1868, Miescher, nhà sinh hóa học người Thụy Điển, phát
hiện trong nhân tế bào bạch cấu một chất không phải protein và ông gọi là
nuclein (chất nhân). Về sau thấy chất này có tính axit nên gọi là nucleic
axit. Có hai loại là desoxyribonucleic axit (viết tắt là DNA) và ribonucleic
axit (viết tắt là RNA). Chất mà Miesher tìm ra là DNA. Năm 1914, nhà
bác học Đức R. Fulgen đã tìm ra phương pháp nhuộm màu DNA. Năm
1944, vai trị mang thơng tin di truyền của DNA mới được chứng minh và
đến năm 1952 mới được công nhận.
1.1. Chứng minh gián tiếp.
Nhiều số liệu cho thấy có sự liên quan chặt chẽ giữa DNA và vật
chất di truyền.
Thứ nhất, DNA có trong tế bào của tất cả các sinh vật, chỉ giới hạn
trong nhân và là thành phần chủ yếu của nhiễm sắc thể (một cấu trúc của
tế bào, có chứa nhiều gen).


83
Thứ hai, Tất cả các tế bào sinh dưỡng của bất kỳ một loại sinh vật
nào đều chứa một lượng DNA rất ổn định, khơng phụ thuộc vào sự phân
hóa chức năng hay trạng thái trao đổi chất.
Thứ ba, số lượng DNA tăng theo bội số nhiễm sắc thể trong tế bào.
Ở tế bào sinh dục, đơn bội (n) có số lượng DNA là 1 thì ở tế bào sinh
dưỡng, lưỡng bội (2n) có số lượng DNA tăng lên gấp đơi.
Thứ tư, tia tử ngoại (uv) có hiệu quả gây đột biến cao nhất ở bước
sóng 260 nm, đây chính là bước sóng mà DNA hấp thụ tia tử ngoại nhiều
nhất.

1.2 Bằng chứng trực tiếp chứng minh axit nucleic là vật liệu di truyền.
1.2.1 Hiện tượng biến nạp.
Thí nghiệm của Griffiths, 1928 trên phế cầu khuẩn Diplococcus
pneumonie gây bệnh viêm phổi cho động vật có vú.

Hình 36. Thí nghiệm biến nạp ở chuột
a/ Tiêm vi khuẩn S sống gây bệnh cho chuột
b/ Tiêm vi khuẩn R sống không gây bệnh
c/ Tiêm vi khuẩn S đã nung nóng cho chuột

chuột chết
chuột sống
chuột sống

d/ Hỗn hợp vi khuẩn S bị đun chết trộn với vi khuẩn R sống đem tiêm cho chuột
chuột chết. Trong xác chuột có vi khuẩn S và R.

D. pneumonie có 2 nịi: nịi S có vỏ bọc và 1 phân tử DNA, khi
nuôi cấy cho khuẩn lạc trơn, bóng, có khả năng gây bệnh.


84
Nịi R: khơng có vỏ bọc, có 1 phân tử DNA, khi ni cấy cho
khuẩn lạc khơng trơn, bóng, khơng có khả năng gây bệnh.
Tiêm nịi S cho chuột, chuột sẽ chết. Tiêm nòi R cho chuột, chuột
vẫn sống. Nung nóng nịi S và tiêm cho chuột, chuột vẫn sống. Trộn lẫn
nịi S đã nung nóng với nịi R, tiêm cho chuột, chuột chết. Ở đây đã có yếu
tố nào đó từ nịi S đã bị giết chết chuyển sang nịi R (khơng gây bệnh) làm
thay đổi đặc điểm của nòi R. Khi chuyển sang nòi R, làm cho nòi R từ chổ
không gây bệnh trở nên gây bệnh.

Năm 1944, T. Avery, Mc Leod và McCarty đã tách chiết DNA của
nịi S đem cho vào các tế bào ni cấy chủng R. Kết quả là một số khuẩn
lạc biến thành dạng trơn, bóng: chúng đã được biến nạp. Đặc biệt khi phân
hủy DNA bằng DNAse thì hiện tượng biến nạp không xẩy ra. Các tác giả
đã chứng minh được rằng DNA chính là nhân tố biến nạp làm thay đổi các
kiểu di truyền ở phế cầu khuẩn.
Ngày nay có thể thực hiện được biến nạp ở sinh vật Eucaryotae
như nấm men, tế bào thực vật, tế bào chuột và cả ở tế bào người, thậm chí
có thể thực hiện biến nạp ở các lồi khác nhau. Do đó, biến nạp có thể
được coi là phương tiện chung để chuyển gen giữa các sinh vật.
1.2.2 Sự xâm nhập của DNA virus vào vi khuẩn.
Năm 1952, A. Hershey và M. Chase đã tiến hành thí nghiệm với
bacteriophage T2 (thực khuẩn thể) cho xâm nhập vi khuẩn Escherichia coli
(E. coli).
Phage T2 có cấu tạo đơn giản gồm vỏ protein và phân tử DNA bên
trong. Khi cho phage T2 vào vi khuẩn, chúng gắn lên bề mặt bên ngồi,
một phần chất nào đó đã xâm nhập vào trong vi khuẩn và sau 20 phút làm
tan tế bào vi khuẩn, phong thích nhiều phage mới.
Thí nghiệm của A. Hershey và M. Chase nhằm xác định, chất nào
của phage đã vào bên trong tế bào vi khuẩn: DNA, protein hay cả hai chất
trên.
Vì DNA chứa nhiều photpho (P) nhưng khơng có lưu huỳnh (S)
cịn protein chứa nhiều lưu huỳnh nhưng khơng có photpho, nên có thể
phân biệt DNA và protein nhờ các đồng vị phóng xạ P và S.
Phage được nuôi trên vi khuẩn đã nhiễm đồng vị phóng xạ P32 và
S . Các phage nhiễm trong khoảng thời gian đủ để bám vào vách tế bào
và bơm chất nào đó vào trong tế bào. Sau đó đem phân tích nhận thấy,
35

85
phần ngồi vi khuẩn có chứa nhiều S , nhưng rất ít P , chứng tỏ phần lớn
protein vỏ phage nằm ngồi tế bào vi khuẩn. Phân tích phần bên trong tế
bào vi khuẩn thấy chúng chứa nhiều P32 nhưng rất ít S35.
35

32

Hình 37. Vật chất di truyền của phage là DNA
Điều này chứng tỏ DNA của phage đã đựơc bơm vào trong tế bào vi
khuẩn, ở đó thơng tin di truyền chứa trong DNA sẽ được dùng để tổng hợp
những virus mới.

2 Thành phần hóa học và cấu trúc phân tử DNA
2.1. Thành phần hóa học.
Phân tử DNA là một chất trùng hợp (polymer), polynucleotit. Nó
được tạo nên do sự nối liền các đơn phân (monomer).
Mỗi monomer gồm 3 thành phần:
- Đường pentose (5 carbon) - desoxyribose
- Base nitơ gồm 2 nhóm purine: Adenine (A) và Guanine (G) và
pyrimidine : Thymine (T) và Cytosine (C).
-

Nhóm phosphate.


86
Đường pentose gắn với base nitơ ở vị trí C1 sẽ tạo nên nucleoside.
Nucleoside được gắn thêm nhóm phosphate vào C5 của đường pentose
thành nucleotid.

Hình 38. Cấu tạo các base nitơ
2.2. Mơ hình xoắn kép DNA của J. Watson và F. Crick.
Năm 1953, J. Watson và F. Crick đã đưa ra mơ hình cấu trúc phân
tử DNA. Theo mơ hình này, phân tử DNA là một chuỗi xoắn kép mà hai
mạch gồm khung đường pentose xen kẽ với các nhóm phosphate, được
gắn với nhau nhờ các cầu nối hydro (liên kết hydro) theo nguyên tắc bổ


87
sung. Có nghĩa là adenine của mạch này sẽ liên kết với thymine của mạch
kia, guanine của mạch này liên kết với cytosine của mạch kia và ngược lại.
Giữa adenine với thymine liên kết với nhau bằng 2 cầu nối hydro, còn
giữa guanine với cytosine liên kết với nhau bằng 3 cầu nối hydro.

Hình 39. Chuỗi xoắn kép DNA của Watson - Crick


88

Hình 40. Sơ đồ cấu trúc 2 mạch của phân tử DNA theo Watson-Crick
Điều này đã được các thực nghiệm của Chargaff xác định. Khi
thủy phân DNA nhận thấy, tổng số các loại base purine bằng tổng số các
loại pyrimidine. Đặc điểm này được gọi là định luật Chargaff. Theo định


89
luật này thì A = T; G = C, tức là A T
A

T

G

C

G

C

1;

A

G

T

C

1 , nhưng tỷ số

1 , ở các loài sinh vật khác nhau, tỷ số này đặc trưng cho lồi,

dựa vào đó có thể phân biệt các lồi với nhau. Sinh vật bậc cao, tỷ số
A

T

G

C

 1 , sinh vật bậc thấp, tỷ số

A

T

G

C

 1 . Từ năm 1953 trở lại

nay, mơ hình phân tử DNA của J. Watson và F. Crick là trung tâm của các
nghiên cứu di truyền học và sinh học phân tử, Watson và Crick đã nhận
giải thưởng Nobel vào năm 1962.
Mỗi vòng xoắn của phân tử DNA gồm có 10 cặp nucleotid, chiều
dài là 34 Ao; đường kính của phân tử DNA là 20Ao.
Sự sắp xếp của 2 mạch theo kiểu đối song song, đầu 5’P (nhóm P
tự do gắn với C5 của đường) đối diện với 3’OH (nhóm OH gắn với C3 của
đường) và ngược lại.
5’P
3’OH

3’OH
5’P.

3. Sao chép DNA

Watson và Crick đã cho rằng, nếu hai mạch của phân tử DNA
được tách ra do các liên kết hydro giữa các cặp base bị đứt, mỗi mạch sẽ
làm khuôn cho việc tổng hợp mạch mới, tương tự với mạch cặp trước đó.
Kết quả một phân tử DNA ban đầu (mẹ) qua quá trình sao chép sẽ
cho ra hai phân tử DNA (con) giống hệt nhau. Mỗi phân tử con đều mang
một mạch cũ và một mạch mới. Kiểu sao chép này gọi là sao chép bán bảo
tồn.
Những nghiên cứu tiếp theo đã tìm ra các cơ chế phân tử của quá
trình sao chép DNA. Đó là q trình rất phức tạp, phải trải qua các cơ chế
chung như sau:
- Các liên kết hydro gắn hai mạch với nhau phải bị phá vỡ và hai
mạch phải tách nhau ra, từ mạch kép trở thành hai mạch đơn.
- Phải có đoạn mồi, tức là đoạn DNA hoặc RNA ngắn, bắt cặp bổ
sung với 1 đầu của mạch khuôn.


90
- Có đủ 4 loại nucleosid triphosphate (ATP, TTP, GTP, CTP) bắt
cặp với mạch đơn khuôn.
- Mạch mới tổng hợp theo hướng 5’P - 3’OH, các nucleotid mới
được nối lại với nhau bằng liên kết phosphodieste.
Mỗi bước được điều khiển bởi enzym đặc hiệu và được thực hiện
một cách nhanh chóng, chính xác.
3.1 Các enzym, protein tham gia vào q trình tái bản DNA
- DNA polymerase I là loại enzym được phát hiện đầu tiên, lúc đầu
người ta cho rằng đây là loại enzym có vai trị chủ yếu trong tái bản DNA.
Về sau người ta còn phát hiện được các enzym DNA polymerase II và
DNA polymerase III.
- DNA polymerase II có chức năng xác định sự bắt đầu tổng hợp một
phân đoạn mới DNA và kết thúc sự tổng hợp DNA.

- DNA polymerase III là enzym tham gia chủ yếu vào tái bản DNA kéo
dài dần chuỗi mới tổng hợp. Loại enzym này có khoảng 10 phân tử trong
một tế bào, chúng có tốc độ tổng hợp DNA nhanh hơn nhiều lần so với
DNA polymerase I và DNA polymerase II.
-Trên mỗi phân tử DNA dạng vòng ở vi khuẩn E. coli có khoảng
400.000 vịng xoắn, nên sự tháo xoắn phải xẩy ra theo một cơ chế tối ưu
nào đó để khi tháo xoắn không làm rối loạn cấu trúc của nó. Sự tháo xoắn
được tạo ra do đứt tại một điểm nhất định trên một mạch đơn trong quá
trình tái bản, các chổ đứt này sẽ nhanh chóng được sửa chữa sau khi tháo
xoắn. Enzyn tham gia vào sửa chữa này là DNA gyrase (hay
topoisomerase).
- Ngồi ra cịn có các enzym khác như: Enzym “rep” mở xoắn chuỗi
xoắn kép, RNA primerase tổng hợp đoạn mồi RNA ngắn để tạo nhóm
3’OH, enzym DNA ligase nối các đoạn DNA ngắn (đoạn Okazaki) thành
phân tử DNA dài. Bên cạnh đó, trong quá trình tổng hợp DNA cịn thấy có
vai trị protein DNA-B nhận ra và đánh dấu điểm khởi đầu tái bản, protein
SSB bám vào hai mạch đơn ổn định để thực hiện quá trình tái bản DNA.
3.2 Các giai đoạn sao chép.
3.2.1 Khởi sự.
Ở E. coli, quá trình sao chép bắt đầu khi một protein đặc hiệu (B)
nhận biết điểm bắt đầu sao chép và gắn vào trình tự base đó. Tiếp theo


91
enzym gyrase nới lỏng vịng xoắn DNA ở 2 phía của protein B và tách xa
vị trí ban đầu tạo ra 2 phểu tái bản, trên mỗi phểu tái bản có 3 chạc, gọi là
dạng chữ Y. Hai phân tử enzym “rep” tháo xoắn chuỗi xoắn kép DNA để
bẻ gãy dần các liên kết hydro trên mạch kép DNA. Vì vậy hai mạch đơn
lần lượt tách nhau ra. Quá trình này cần dùng năng lượng ATP. Các
protein làm căng mạch (SSB-Single Strand Binding), gắn với mạch đơn

DNA làm chúng tách nhau, ngăn cho hai mạch không chập lại với nhau để
tạo thuận lợi cho sao chép.
3.2.2 Nối dài phân tử DNA.
Sự khởi đầu tái bản DNA địi hỏi có một yếu tố mồi (primer). Yếu tố
này giữ chức năng khởi động. Enzym DNA polymerase III chỉ có khả
năng xúc tác việc hình thành mạch đơn mới DNA theo hướng 5’-3’, vì vậy
việc lắp ráp các nucleotit vào sợi khn bao giờ cũng bắt đầu từ chiều 3’
của sợi khn.

Hình 41. Sao chép DNA ở vi khuẩn E. coli


92
Nghĩa là sự kéo dài (elongation) được thực hiện do gắn thêm
nucleotit vào đầu có OH của cacbon 3’ tự do. Để tạo ra nhóm 3’OH,
enzym primase bám vào đầu 3’ của mạch gốc tổng hợp nên đoạn mồi ngắn
khoảng 8-10 ribonucleotit. Như vậy, enzym primase làm nhiệm vụ khởi
động để sau đó enzym DNA polymerase III xúc tác tạo thành liên kết
photphodieste giữa nhóm 3’OH tự do của đoạn mồi và nguyên tử photpho
phía trong cùng của nucleotit triphotphat đang gắn vào đoạn mồi. Sự nhận
biết của nucleotit triphotphat được gắn vào đoạn mồi phụ thuộc vào sự
kiên kết đôi base bổ sung của môi trường nội bào với nucleotit đối diện
trong mạch khuôn. DNA polymerase III xúc tác phản ứng trùng hợp hóa,
liên kết nucleotit mới vào đầu đoạn mồi.
Mạch khn có chiều 3’OH - 5’P được DNA-polymerase gắn vào
và tổng hợp ngay mạch bổ sung theo chiều 5’P - 3’OH. Mạch này được
gọi là mạch trước (mạch sớm), quá trình sao chéo được thực hiện liên tục,
từ ngoài vào trong, hướng vào chẻ ba sao chép.
Trong khi đó mạch khn theo hướng 5’P-3’OH, việc tổng hợp có
phức tạp hơn và thực hiện từ chẻ ba sao chép ra ngoài, mạch này được

hoàn thiện muộn hơn được gọi là mạch sau hay mạch muộn.
Việc tổng hợp mạch đơn DNA mới trên mạch gốc 5’-3’ theo chiều
ngược và tạo ra những đoạn ngắn, gọi là đoạn Okazaki. Theo Okazaki mỗi
đoạn có từ 1000 đến 2000 nucleotit. Trước khi tổng hợp, mỗi phân đoạn
Okazaki cũng tổng hợp đoạn mồi RNA để tạo nhóm 3’OH để sau đó nhờ
tác dụng của enzym DNA polymerase III kéo dài tiếp chuỗi
polydezoxyribonucleotid. Các nucleotid được gắn vào đầu 3’OH của đoạn
mồi để kéo dài ra theo chiều 5’-3’ tạo ra đoạn Okazaki. Sau khi đoạn
Okazaki tiếp theo được hình thành thì enzym DNA polymerase I vào thay
thế vị trí DNA polymerase III, phân hủy đoạn mồi RNA và tổng hợp đoạn
DNA bổ sung theo hướng 5’-3’. Giữa hai đoạn Okazaki lúc này có một
khoảng trống, khoảng này sẽ được lấp đầy do enzym DNA ligase hình
thành thêm liên kết photphodieste, cứ như vậy các đoạn Okazaki lần lượt
được nối lại với nhau, kéo dài dần sợi DNA tổng hợp.
3.2 Sao chép ở tế bào eucaryotae.
Sự sao chép ở tế bào nhân chuẩn eucaryotae còn chưa được hiểu
tường tận nhưng các dữ liệu thu được cho thấy hệ thống này khá gần với
hệ thống sao chép ở procaryotae. Khác biệt chủ yếu là ở các loại DNApolymerase tham gia vào quá trinh. Ngoài các DNA-polymerase, hệ thống
sao chép ở eucaryotae cịn có sự tham gia của nhiều protein chuyên biệt


93
như: PCNA (Proliferating Cell Nuclear Antigen-kháng nguyên trong nhân
tế bào đang phân chia) có chức năng hoạt hóa các polymerase và , các
nhân tố sao chép A và C (Replication Factor, RF-A, RF-C) cần cho hoạt
động của các polymerase và .
Mơ hình sao chép ở eucaryotae được đề xuất như sau:
- Đầu tiên, DNA được tháo xoắn nhờ một loại enzym tham gia vào
tháo xoắn phân tử DNA và nhân tố sao chép A (RF-A).
- Trên mạch chậm, polymerase /primase tương tác với RF-A tổng

hợp mồi RNA (dài độ 10 nucleotid). Mồi này được nối dài thêm độ 20
nucleotid nhờ polymerase kết hợp với nhân tố sao chép RF-C. Lúc đó,
sự phối hợp PCNA-ATP chận polymerase lại, giúp cho polymerase
gắn vào và tổng hợp đoạn Okazaki.
- Polymerase
được giải phóng và được chuyển lên mạch đối
diện, tổng hợp liên tục mạch mới.
Nhiều nghiên cứu sử dụng phân tử đánh dấu bằng đồng vị phóng
xạ cho thấy các phân tử DNA ngay sau khi được sao chép sẽ được tổ chức
lại thành nucleosome. Các nucleosome mới hình thành chỉ chứa các histon
mới tổng hợp.
Tuy nhiên điều chưa rõ là các nucleosome mới hình thành nằm
hồn tồn trên một mạch và các nucleosome cũ trên mạch kia hay có sự
phân bố ngẫu nhiên trên cả hai mạch.

4. RNA và sự phiên mã (sinh tổng hợp RNA)
4.1. Thành phần hóa học của phân tử RNA.
Phân tử RNA (Ribonucleic acid) được cấu tạo từ 3 thành phần:
- Đường pentose (đường 5C), ở đây là đường ribose.
- Base nitơ, gồm 2 nhóm: purine (adenine (A) và Guanine (G) và
pyrimidine cytosine (C) và uracyl (U).
- Nhóm phosphate (P).
Các thành phần trên liên kết với nhau (base nitơ liên kết với đường
ở C1 và nhóm phosphate liên kết với đường ở C5) tạo thành ribonucleic.
Các monoribonucleic liên kết với nhau bằng liên kết phosphodieste
thành chuỗi polyribonucleic.


94
Phân tử RNA là một chuỗi (1 mạch) polyribonucleotid.

4.2 Sự phiên mã (sinh tổng hợp RNA)
Mặc dù bản chất hóa học của hai loại quá trình: sinh tổng hợp
DNA và RNA rất giống nhau nhưng chúng lại mang những ý nghĩa sinh
học chuyên biệt. Quá trình sinh tống hợp DNA (sự sao chép) có tính ổn
định cao, đảm bảo sự truyền đạt nguyên vẹn bộ gen; trong khi đó sự sinh
tổng hợp RNA (sự phiên mã) lại liên quan đến tính đa dạng và biến động
trong sự biểu hiện các tính trạng di truyền. Phần lớn sự biểu hiện của gen
được kiểm tra và điều hòa ở mức độ phiên mã và mọi giai đoạn của quá
trình phiên mã đều có thể chịu sự biến đổi. Các nguyên tắc cơ bản của quá
trình này đã được thiết lập dựa vào nghiên cứu trên procaryotae (E. coli)
nhưng dường như các nguyên tắc này có tính phổ biến cho cả eucaryotae.
Tuy nhiên, do những khác biệt về cấu trúc (bộ gen ở eucaryotae được bao
bọc trong nhân, trong khi ở procaryotae bộ gen nằm tự do trong tế bào
chất) và do những khác biệt về hệ enzyme nên sự phiên mã ở procaryotae
và eucaryotae cũng có những sai khác nhất định.
4.2.1 Các giai đoạn của q trình phiên mã.
4.2.1.1 Vai trị của RNA polymerase.
Enzym RNA polymerase được nghiên cứu chứa hai hợp phần chình
đó là yếu tố sigma ( ) và lõi enzym chứa hai chuỗi anfa( ) và bêta ( ).
Yếu tố sigma có vai trị quan trọng giúp cho enzym lõi nhận biết và bám
vào vùng gen khởi động để bắt đầu phiên mã tại vị trí chính xác. Sau đó
chúng rời enzym lõi để tham gia vào một quá trình phiên mã khác. Enzym
lõi đóng vai trị chủ chốt trong việc trùng hợp và kéo dài sợi RNA.
4.2.1.2 Vai trị của các tín hiệu khởi đầu và kết thúc phiên mã.
- Tín hiệu khởi đầu phiên mã đó là vùng khởi động (promotor) có
chứa hai vị trí đặc hiệu, tạo điều kiện cho RNA polymerase nhận biết và
bám vào để chuẩn bị khởi đầu quá trình phiên mã. Đoạn nhận biết nằm
cách điểm khởi đầu phiên mã khoảng 35 nucleotit về phía trước, thường
có trình tự 5’ TTGACA (3’). Đoạn thứ hai có trình tự 5’ TATATT (3’) gọi
là hộp TATA hay là hộp pribnow nằm cách điểm bắt đầu phiên mã 10 cặp

nucleotit.
- Tín hiệu kết thúc bao gồm:
+ Nhân tố : đây là một loại protein gồm có 6 tiểu đơn vị. Cơ chế hoạt
động của nhân tố này hiện nay chưa được rõ, nhưng người ta đã chứng


95
minh được rằng, một đoạn dài khoảng 70-80 nucleotid của phân tử RNA
mới tổng hợp quấn quanh . Có lẽ có chức năng tách enzyme và sợi
RNA ra khỏi khn DNA.

Hình 42. Tín hiệu khởi đầu và kết thúc phiên mã
+ Một cấu trúc đặc hiệu trên sợi khuôn: Bao gồm hai trình tự đối xứng
bổ sung tiếp theo là một loạt 6 adenine (chúng sẽ được phiên mã thành 6
uracyl). Ngay sau khi hai trình tự đối xứng bổ sung được hình thành trên
RNA, chúng có thể bắt cặp với nhau tạo thành cấu trúc “kẹp tóc” ngăn
khơng cho RNA-polymerase tiếp tục tổng hợp. Phần sợi khuôn nằm sau


96
RNA- polymerase sẽ trở lại cấu trúc ban đầu, tách rời khỏi enzyme và sợi
RNA mới tổng hợp.

Hình 43.

Phiên mã ở Eucaryote

4.2.2. Giai đoạn khởi động.
Enzyme RNA polymerase nhận biết quá trình tự khởi động trên sợi
DNA (promotor), nhờ tiểu đơn vị . Nhân tố nhận biết được promotor là

nhờ cấu trúc đặc trưng của nó. RNA-polymerase gắn vào promotor theo
hai bước: Trước hết enzyme nhận biết và gắn một cách lỏng lẻo vào trình
tự -35 (cách vị trí bắt đầu sinh tổng hợp 35 cặp base). Sau đó, phức hợp
này chuyển thành phức hợp “mở”, trong giai đoạn này một vùng DNA bắt
đầu từ trình tự -10 sẽ được tháo xoắn và một sợi DNA lộ ra dưới dạng tự
do, làm khuôn cho sự sinh tổng hợp RNA.
4.2.3. Giai đoạn kéo dài.
Khi phân tử RNA đạt chiều dài khoảng 8 nucleotid thì nhân tố
tách khỏi phức hợp enzyme. Lúc bấy giờ
lại có thể gắn vào một
promotor khác để khởi động một quá trình phiên mã mới. Sự tách rời nhân
tố cần thiết cho giai đoạn kéo dài vì sự có mặt tiếp tục của nó sẽ gắn
chặt phức hợp enzyme vào promotor khiến cho enzyme không thể trượt
dài theo sợi khn DNA để tiến hành q trình sinh tổng hợp. Nhân tố


97
được thay thế bằng các nhân tố kéo dài (elongation factors). RNApolymerase tháo xoắn liên tục phân tử DNA trên một chiều dài khoảng 17
nucleotid theo tiến triển của quá trình sinh tổng hợp. Sợi RNA mới sẽ tách
khỏi mạch khuôn DNA, trừ một đoạn khoảng 12 nucleotid bắt đầu từ điểm
tăng trưởng vẫn liên kết với DNA. Phần DNA được tháo xoắn sẽ được
xoắn trở lại sau đó.
4.3.3. Giai đoạn kết thúc.
Trên DNA vi khuẩn tồn tại dấu hiệu “kết thúc”. Khi RNA
polymerase gặp dấu hiệu này nó sẽ ngừng q trình sinh tổng hợp, nhả sợi
DNA khn ra và có thể bắt đầu hoạt động ở nơi khác.
4.4 Quá trình phiên mã ở eucaryotae.
4.4.1 Một số điểm khác hơn so với ở procaryotae.
- Tất cả các gen ở procaryotae đều được phiên mã bởi 1
polymerase duy nhất, trong khi ở eucaryotae có 3 loại polymerase chịu

trách nhiệm phiên mã các loại gen khác nhau: loại I cho các RNA của
ribosome, loại II phiên mã các RNA thông tin và loại III cho các RNA
kích thước nhỏ, như các RNA vận chuyển.
- Các RNA thông tin vừa được phiên mã từ DNA hầu như không
bao giờ được dịch mã ngay thành protein như ở procaryotae. Đầu tiên các
tiền-RNA thông tin được hình thành trong nhân sẽ phải chịu một số biến
đổi hóa học trước khi xuất hiện trong tế bào chất dưới dạng hoạt động.
- Do cấu trúc có nhân của eucaryotae, q trình phiên mã tạo RNA
thơng tin xẩy ra trong nhân, cịn q trình dịch mã tổng hợp protein xẩy ra
trong tế bào chất nên hai quá trình này khơng đồng thời như ở
procaryotae.
- Sự khởi động phiên mã ở các cơ thể đa bào eucaryotae không đáp
ứng tức thời với điều kiện ngoại cảnh như ở procaryotae.
Một đặc điểm của các mRNA ở eucaryotae là mỗi mRNA mã hóa
cho 1 chuỗi polypeptid trong khi ở procaryotae mỗi mRNA thơng tin mã
hóa cho nhiều chuỗi polypeptid.
4.4.2 Các giai đoạn phiên mã ở tế bào eucaryotae.
4.4.2.1. Giai đoạn khởi động.


98
Chịu sự kiểm tra của 1 trình tự đặc biệt - hộp TATA- nằm trước vị
trí bắt đầu phiên mã khoảng 25-35 nucleotide. Ở một số gen, trình tự
TATA được thay bằng một trình tự giàu GC.
RNA-polymerase II bắt đầu hoạt động phiên mã nhờ nhiều nhân tố phiên
mã (TF- Transcription Factor) có bản chất protein. Trước tiên, nhân tố
TFIID nhận biết và gắn vào trình tự TATA. Tiếp theo là việc gắn thêm
nhân tố TFIIA. Lúc đó RNA- polymerase liên kết với TFIIB sẽ gắn vào
phức hợp TFIID-TFIIA. Một phân tử ATP được phân giải, năng lượng
dùng để tách hai mạch DNA, phức hợp được “mở”. Cuối cùng, nhân tố

TFIIE cho phép khởi động sự phiên mã.
- Giai đoạn kéo dài: Phân tử RNA được tổng hợp từ mạch khn
DNA. Q trình này được tiến hành nhờ nhân tố TFIIS.
- Giai đoạn kết thúc: Sự phiên mã kết thúc trước điểm gắn đuôi
polyA rất xa. Sự kết thúc phiên mã có liên quan đến những cấu trúc dạng
“kẹp tóc” tiếp ngay sau là quá trình tự giàu GC.
4.4.2.2 Quá trình trưởng thành của các tiền mRNA.
Trước khi sự phiên mã kết thúc, các tiền mRNA bắt đầu trải qua
một quá trình biến đổi ngay trong nhân để trở thành các mRNA trưởng
thành, quá trình này gồm các bước sau:
- Gắn chóp: ngày sau khi bắt đầu phiên mã, một guanine có gắn
nhóm methyl ở N7 (7-methyl guanine), được gắn vào đầu 5’P của mRNA
nhờ liên kết 5’-5’ triphosphate.
- Thêm đuôi: Ngay sau khi được phiên mã, các mRNA sẽ bị cắt bỏ
khoảng 20 nucleotide nằm trước một trình tự AAUAAA, đây chính là
trình tự nhận biết cho phản ứng cắt. Sau đó 1 enzyme có trong nhânpolyA-polymerase sẽ gắn một số lượng adenine nhất định (khoảng 250 ở
động vật có vú, 100 ở eucaryotae bậc thấp) vào đầu 3’ của mRNA. Một
protein, PABP (PolyA Binding Protein-Protein liên kết với polyA) sẽ gắn
vào đuôi polyA. Protein này cần thiết cho sự sống cịn và sinh trưởng của
tế bào. Đi polyA kết hợp với PABP có vai trị trong sự ổn định các
mRNA và việc khởi sự dịch mã.
Đến giai đoạn này, tiền mRNA đã được hình thành, nhưng để
chuyển thành dạng hoạt động, phân tử này còn phải trải qua một bước biến
đổi: quá trình ghép nối.


99
- Quá trình ghép nối (splicing): Đây là quá trình loại bỏ các intron
và nối các exon lại với nhau hình thành nên mRNA trưởng thành (hoạt
động). mRNA trưởng thành sẽ đi ra tế bào chất qua các lỗ trên màng nhân

để tham gia vào quá trình dịch mã (sinh tổng hợp protein).

Hình 44. Phiên mã gián đoạn ở Eucaryote

Hình 45. Cấu trúc m RNA của Eucaryote


100

5. Mã di truyền và dịch mã
RNA thông tin chỉ là giai đoạn trung gian giữa DNA và protein. Ở
eucaryotae, RNA thơng tin giúp chuyển thơng tin mã hóa trên DNA nằm
trong nhân ra đến bộ máy dịch mã tạo protein ngồi tế bào chất. Q trình
sinh tổng hợp protein cũng như quá trình sinh tổng hợp DNA, RNA tuân
theo một số nguyên tắc chung. Tuy nhiên, quá trình dịch mã phức tạp hơn
nhiều so với sự sao chép và phiên mã. Điều đó là do cơ chế của sự sao
chép hay phiên mã chủ yếu dựa vào ái lực giữa các base thành phần cấu
tạo phân tử mới với các base của khuôn, biểu hiện qua các liên kết hydro
giữa chúng. Cịn trong q trình dịch mã các amino acid tuy được nối kết
với nhau theo khuôn RNA nhưng chúng là hồn tồn khơng có ái lực với
phân tử RNA. Do đó trong q trình sinh tổng hợp protein, ngồi khn
mRNA và các đơn vị thành phần cấu tạo nên phân tử mới (các amino
acid), còn cần sự hiện diện của các nhân tố tiếp hợp (adaptor). Các nhân tố
tiếp hợp này làm vật trung gian giúp cho các amino acid khơng phải tiếp
xúc với khn RNA. Dó chính là các RNA vận chuyển (tRNA). Quá trình
dịch mã tiến hành theo một cơ chế chung cho tất cả mọi tế bào.
5.1 Các loại RNA và vai trò của chúng trong q trình sinh tổng hợp
protein.
5.1.1 RNA thơng tin và mã di truyền.
RNA thơng tin (ký hiệu là mRNA) cịn được gọi là RNA trung gian, được

tổng hợp trên khuôn mẫu của gen cấu trúc, trên mạch gốc có chiều 3’OH 5’P của phân tử DNA. mRNA làm nhiệm vụ truyền thông tin di truyền từ
gen cấu trúc (DNA) sang sản phẩm protein nhờ nguyên tắc mã bộ ba và
đối mã di truyền. Trong tế bào hàm lượng mRN chiếm tỷ lệ nhỏ (khoảng
vài phần trăm) trong tổng số các loại RNA. Thời gian tồn tại của mRNA
tùy thuộc vào lồi, đối với procaryotae là khoảng 2 phút cịn đối với
eucaryotae có thể từ 30 phút đến 24 giờ.
Trên cơ sở mối quan hệ thông tin DNA - mRNA - protein mà
người ta nêu lên lý thuyết về mã di truyền. Trình tự phân bố các nucleotide
trong phân tử DNA qui định trình tự phân bố các ribonucleotide trong
phân tử mRNA và trình tự sắp xếp các ribonucleotide trong mRNA qui
định trình tự sẵp xếp các axit amin trong phân tử protein được tổng hợp.
Về mặt số lượng thì trong phân tử mRNA có 4 loại nucleotide và trong
phân tử protein có ít nhất 20 loại axit amin. Vậy, nếu cứ 1 nucleotide qui
định 1 axit amin thì chỉ có 41 loại axit amin được tổng hợp, nếu cứ 2
nucleotide qui định 1 axit amin thì chỉ có 42 = 16 axit amin được tổng hợp.


101
Như vậy sẽ thiếu, có một số axit amin khơng được tổng hợp. Còn nếu cứ 3
nucleotid qui định 1 axit amin thì sẽ có 43 = 64 loại axit amin được tổng
hợp, không những đủ các loại axit amin mà cịn thừa. Do đó, giả thuyết
này tạm thời được cơng nhận.
Vấn đề tiếp theo là xác định chính xác các bộ ba (codon) nào mã
hóa cho axit amin nào. M. W Niremberg và H. Matthaei đã dùng enzyme
theo phương pháp của Ọchoa tổng hợp mRNA nhân tạo. Sau đó đưa men
này vào trong mơi trường chỉ có 1 loại uracyl thì nhận được RNA tồn bộ
là uracyl (polyU), nếu chỉ có adenine thì nhận được polyA...
Năm 1961, các tác giả trên đã dùng polyU thay cho mRNA để tổng
hợp protein trong hệ thống vơ bào (có axit amin, enzyme tổng hợp protein,
nhưng khơng có DNA), sản phẩm nhận được là mạch polypeptide

polyphenylalanine, chỉ chứa 1 loại axit amin là phenylalanine và tỷ lệ
uracyl / phenylalanine là 3/1. Điều đó chứng tỏ, codon UUU mã hóa cho
phenylalanine. Sau đó, người ta cũng đã xác định AAA mã hóa cho lysine,
GGG cho glycine, CCC cho proline....
Vào năm 1964, H.G Khorana tìm ra phương pháp tạo mRNA tổng
hợp nhân tạo với trình tự lặp lại (như AAG AAG AAG ...) nhờ đó đã giải
quyết các vấn đề còn chưa rõ.
Các đặc điểm của mã di truyền.
- Mã di truyền là mã bộ ba, nghĩa là cứ 3 nucleotide kế tiếp mã hóa
cho 1 axit amin.
- Mã di truyền không gối lên nhau. Thông tin trong phân tử mRNA
được đọc theo chiều 5’P - 3’OH kể từ codon khởi đầu.
- Mã di truyền có tính chất đặc hiệu, nghĩa là mỗi bộ ba chỉ mã hóa
cho 1 axit amin nhất định.
- Mã di truyền có tính chất “thối hóa”, nghĩa là phần lớn nhiều bộ
ba cùng mã hóa cho 1 axit amin.
- Mã di truyền có codon khởi đầu AUG mã hóa cho methyonine và
các codon kết thúc khơng mã hóa (UAG, UAA, UGA), nhưng là tín hiệu
kết thúc chuổi protein được tổng hợp.
- Mã di truyền có tính chất phổ biến, nghĩa là toàn bộ sinh giới đều
sử dụng thống nhất mã di truyền.


102
Bảng 5. Bảng mã di truyền
Nucleotid 1

Nucleotid 2

Nucleotid 3

U

Ser

Tyr

Cys

U

Ser

Tyr

Cys

C

Ser

vô nghĩa

vô nghĩa

A

Ser

vô nghĩa

Trip

G

Leu

Pro

His

Arg

U

Leu

Pro

His

Arg

C

Leu

Pro

Glutamin

Arg

A

Leu

Pro

Glutamin

Arg

G

Ileu

Thr

Asp

Ser

U

Ileu

Thr

Asp

Ser

C

Ileu

Thr

Lys

Arg

A

Met

Thr

Lys

Arg

G

Val

Ala

Asp

Gly

U

Val

Ala

Asp

Gly

C

Val

Ala

Glu

Gly

A

Val

G

Phe

Lue

A

G

Lue
C

A

Phe

U

C

Ala

Glu

Gly

G

5.1.2 RNA vận chuyển (t.RNA hoặc s.RNA).
RNA vận chuyển chính là nhân tố tiếp hợp (adaptor) trong q
trình dịch mã. Ngoài chức năng làm nhiệm vụ trung gian giữa axit amin và
khn mRNA, t.RNA cịn giúp giải quyết trở ngại về khơng gian trong

q trình dịch mã (vận chuyển).
Số lượng các loại tRNA biến động theo loài, 30-40 ở vi khuẩn
(procaryotae), 50 ở tế bào thực vật, động vật (eucaryotae) nhưng cấu trúc
của chúng rất giống nhau. Một đặc điểm đáng chú ý là một t.RNA có thể
kết hợp với hai codon khác nhau cùng mã hóa cho 1 axit amin.


103
Chức năng trung gian của t.RNA đươc thực hiện nhờ những
enzyme đặc hiệu là các aminoacyl-t.RNA synthetase. Có 20 aminoacylt.RNA synthetase tương ứng với 20 loại axit amin. Các enzyme này có khả
năng nhận biết axit amin đặc hiệu và cả t.RNA tương ứng. Quá trình gắn
axit amin vào t.RNA với sự tham gia của enzyme này là một quá trình tiêu
tốn năng lượng.

Hình 46. Cấu trúc của tRNA
t.RNA chiếm khoảng 10-20% tổng số các loại RNA.
Cấu tạo giống như chiếc lá 3 thùy:
- Thùy tác dụng với ribosome.
- Thùy mang bộ ba đối mã.
- Thùy có chức năng nhận biết enzyme, gắn amino acid tương ứng
vào t.RNA.
Trên phân tử t.RNA có chổ xoắn lại , tại các điểm này
ribonucleotide có thể liên kết với nhau theo nguyên tắc bổ sung.
5.1.3 RNA ribosome (r.RNA)


104
Ribosome được cấu tạo từ các r.RNA và hơn 50 loại protein.
Chúng được phân thành hai tiểu đơn vị- một tiểu đơn vị lớn và một tiểu
đơn vị nhỏ. Ở tế bào procaryotae, tiểu đơn vị lớn gồm 2 phân tử r.RNA và

khoảng 35 protein, còn tiểu đơn vị nhỏ gồm 1 phân tử r. RNA và khoảng
20 protein. Trừ một vài sai khác về kích thước và thành phần, ribosome
cũng như r.RNA ở procaryotae và eucaryotae có cấu trúc cơ bản giống
nhau.

5.2 Các giai đoạn của quá trình dịch mã.
5.2.1 Hoạt hóa axit amin.
Mỗi axit amin có mặt ở bào tương được đính vào từng t.RNA thích
hợp nhờ hoạt động xúc tác của enzyme aminoacyl-t.RNA synthetase đặc
thù.
Đầu tiên enzym này xúc tác cho phản ứng ATP hoạt hóa axit amin
thành phức hợp aminoacyl-AMP liên kết với enzyme.
Enzyme + axit amin + ATP

Enzyme-aminoacyl-AMP +P-P

Sau đó phức hợp này kết hợp với t.RNA tương ứng bằng liên kết
đồng hóa trị tạo nên aminoacyl-t.RNA
Enzyme-aminoacyl-AMP + t.RNA

tRNA-aminoacyl + AMP + enzyme.

5.2.2 Khởi đầu.
Là một giai đoạn cực kỳ phức tạp với sự tham gia của hàng loạt
nhân tố protein: các nhân tố khởi động (IF -initiation Factor).
Dấu hiệu bắt đầu khởi động là codon AUG. Bước quan trọng nhất
là hình thành tiểu đơn vị nhỏ của ribosome-Met-t.RNA-mRNA với sự
tham gia của các nhân tố khởi động. Met-t.RNA cùng với 1 phân tử GTP
(có chức năng cung cấp năng lượng) và tiểu đơn vị nhỏ của ribosome được
gắn vào vị trí chuyên biệt của mRNA, vị trí này nằm rất gần codon AUG

khởi động. Một trong các nhân tố khởi động có vai trị đặc biệt quan trọng
trong việc phát hiện codon khởi động để phức hợp gắn vào. Ngay sau khi
codon khởi động được phát hiện thì tiểu đơn vị lớn của ribosome sẽ đến
kết hợp với phức hợp và sự dịch mã bắt đầu.
5..2.3 Kéo dài chuỗi polypeptide.
Là giai đoạn tương đối đơn giản, mang tính lặp lại. Sau khi amino
acid đầu tiên (Met) đã được đặt vào vị trí, chuỗi polypeptide bắt đầu được
tổng hợp (kéo dài). Aminoacyl-t.RNA kế tiếp sẽ đến xếp đúng vào vị trí


105
trên ribosome nhờ một trong các nhân tố kéo dài (EF-elongation Factor).
Có 2 vị trí chun biệt trên ribosome:

Hình 47. Dịng thơng tin trong q trình dịch mã
Vị trí A tiếp nhận aminoacyl - t.RNA kế tiếp và vị trí P giữ phức
hợp peptidyl-t.RNA, tức là chuỗi polypeptide đang hình thành.
Sự tiếp xúc giữa peptidyl-t.RNA và aminoacyl-t.RNA sẽ dẫn đến
sự hình thành liên kết peptide gắn amino acid mới vào chuỗi polypeptide
đang hình thành. Quá trình được lặp lại cho đến khi xuất hiện dấu hiệu kết
thúc dịch mã.
5.2.4 Kết thúc sinh tổng hợp protein.
Khi dấu hiệu kết thúc dịch mã (một trong các codon UAG, UAA,
UGA) được nhận biết bởi nhân tố kết thúc (Termination Factor-TF). Sự có
mặt của TF với enzyme peptidyltransferase gây sự chuyển dịch của
ribosome và phức hợp peptidyl-t.RNA lập tức tách làm đôi: phân tử